瞿 鋒

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司, 200122, 上海)

0 引言

隧道作為土木基礎(chǔ)設(shè)施主要工程結(jié)構(gòu)構(gòu)筑形式之一,是完成道路、鐵路、地鐵等交通功能的重要載體,對(duì)現(xiàn)代城市的可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)繁榮同樣起著至關(guān)重要的作用[1-2]。然而,隧道的安全性、穩(wěn)定性和持久性一直是工程師和研究人員關(guān)注的核心問(wèn)題。在隧道工程中,襯砌結(jié)構(gòu)是保障隧道安全和穩(wěn)定的關(guān)鍵組成部分之一[3-4]。

襯砌結(jié)構(gòu)不僅要能夠承受來(lái)自地下水[5]、地層壓力[6]和交通荷載[7]等多重外部作用力,還要在長(zhǎng)期使用中保持結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性[8]。而襯砌與圍巖之間的粘結(jié)性能是影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一[9]。隧道開(kāi)挖后,襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖巖壁的大面積牢固粘附可以提高圍巖強(qiáng)度,是各種圍巖條件下保證隧道施工質(zhì)量的有效手段之一[10]。因此,深入研究不同圍巖條件下襯砌與圍巖界面的粘結(jié)性能對(duì)提高隧道工程的質(zhì)量和耐久性具有重要意義。

近年來(lái),隨著隧道建設(shè)的新材料、新工藝、新工法、新技術(shù)、新理念、新結(jié)構(gòu)等不斷涌現(xiàn),3D打印技術(shù)作為一種新型建造技術(shù),因其具有高度自適應(yīng)性、定制化和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì),正在得到廣泛應(yīng)用[11-13]。將3D打印混凝土應(yīng)用于隧道工程的研究也逐漸增多,如文獻(xiàn) [14-15]均開(kāi)展了隧道襯砌結(jié)構(gòu)3D打印施工建造技術(shù)的研究,為拓展隧道結(jié)構(gòu)建造技術(shù)提供了一種新的思路和方法。

隧道施工過(guò)程中,3D打印混凝土與隧道圍巖的有效粘結(jié),可以形成良好的粘結(jié)界面,共同承載外來(lái)荷載。而隧道圍巖與混凝土打印層的粘結(jié)性直接決定了兩者之間的協(xié)同工作性能,因此,如何測(cè)試兩者之間的粘結(jié)力以及確定影響兩者粘結(jié)強(qiáng)度的因素成為主要研究?jī)?nèi)容之一。

本文旨在通過(guò)研究隧道施工過(guò)程中,不同圍巖條件下的襯砌-圍巖界面粘結(jié)性能,探討如何改進(jìn)隧道襯砌施工技術(shù)。在研究中,依據(jù)實(shí)際工程模擬了幾種不同粗糙界面條件的圍巖,對(duì)施工過(guò)程中圍巖與隧道3D打印襯砌結(jié)構(gòu)界面的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,重點(diǎn)分析了界面粗糙度對(duì)施工質(zhì)量的影響。同時(shí),探討如何在圍巖表面添加涂層等提高施工質(zhì)量的具體措施,以及其是否能夠?yàn)樗淼拦こ痰目沙掷m(xù)發(fā)展和工程質(zhì)量提高做出重要支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 圍巖粗糙度與濕度模擬

在實(shí)際工程中,圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)接觸面大多不是平直面光滑的,表面狀態(tài)往往是粗糙起伏的[16],有一定的粗糙程度,這與包括圍巖與混凝土之間的粘結(jié)性能在內(nèi)的隧道3D打印襯砌結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量有很大關(guān)系。為此,試驗(yàn)準(zhǔn)備了以下4種混凝土基底表面(長(zhǎng)300 mm,寬300 mm):

1) 拋光表面(R1)。使用拋光機(jī)以1 200、1 700、2 250、2 700、3 250、3 700 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙表面進(jìn)行拋光。

2) 噴砂表面(R2)。使用壓力為0.7 MPa的噴砂機(jī)對(duì)表面進(jìn)行沖擊,清除污垢和老化物,但清除程度有限。

3) 錘擊表面(R3)。使用氣錘(氣錘型號(hào)為29062)處理基底表面,敲擊頻率3 000次/min。

4) 表面噴水(R4)。使用130 MPa的高壓水射流,破壞和清除基底表面污垢。

同時(shí),為量化粗糙度,對(duì)于每個(gè)混凝土基底的表面輪廓Z(基底表面點(diǎn)的剖面高度到平均剖面高度的距離,單位mm),由1臺(tái)激光掃描儀掃描[17-18],并采用表面輪廓的均方根偏差Rq(單位mm)來(lái)表征表面粗糙度[19]。

為了貼合施工現(xiàn)場(chǎng)的濕度條件,采用飽和表面-干燥表面,即將初始狀態(tài)的基質(zhì)在水槽中浸泡24 h,然后晾干,直至達(dá)到飽和表面-干燥表面狀態(tài)(持續(xù)時(shí)間為10 min)。

1.2 3D打印襯砌與圍巖粘結(jié)力學(xué)試驗(yàn)

隧道3D打印襯砌結(jié)構(gòu)施工中,圍巖與3D打印混凝土間的一體化是保證打印的襯砌結(jié)構(gòu)與不同粗糙界面的粘結(jié)性能的關(guān)鍵之一。這種粘結(jié)作用包括沿粘結(jié)面法線方向的抗拉作用以及沿粘結(jié)面切線方向的抗剪作用。試驗(yàn)中,重點(diǎn)針對(duì)粘結(jié)面的抗拉強(qiáng)度開(kāi)展研究。

粘性性能測(cè)試設(shè)備為一臺(tái)平行板(底面直徑為50 mm)的流變儀(型號(hào)為Anton Paar MCR 102)。在兩個(gè)固體表面間插入粘合劑層一定時(shí)間后,以固定速度將兩個(gè)固體表面拉開(kāi),并記錄拉力與分離位移(或時(shí)間)的關(guān)系[20-21]。粘性試驗(yàn)的主要測(cè)試流程為:

1) 將外表面為圓柱的模具(高20 mm,內(nèi)徑50 mm)放在流變儀的底板上并固定;

2) 將新拌混凝土(配合比參照文獻(xiàn)[22])放入圓柱形模具內(nèi),然后取下圓柱形模具;

3) 將用于模擬圍巖表面的圓柱試樣向下移動(dòng),直至底板與該圓柱試樣底面之間的間隙達(dá)到10 mm,相當(dāng)于一個(gè)3D打印印刷層的厚度[23];

4) 以50 μm/s的恒定速度拉出混凝土圓柱形試樣,最長(zhǎng)時(shí)間為500 s,并記錄拉力與位移的關(guān)系曲線。

每個(gè)系列的試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行2次,并采用相同的程序控制圓柱試樣的表面含水率。此外,將試驗(yàn)分為兩組:第一組中,圓柱試樣的下表面未涂覆;第二組中,圓柱試樣(即R1-T、R2-T、R3-T和R4-T)的下表面人工涂覆了與測(cè)試材料成分相同的涂層。

1.3 3D打印襯砌與圍巖界面微觀構(gòu)型觀測(cè)

為了更好地研究圍巖表面粗糙度的影響,利用 TESCAN CoreTOM CT 成像系統(tǒng)對(duì)圍巖表面進(jìn)行高分辨率掃描,獲取其影像數(shù)據(jù)(像素尺寸為 27 μm)。每個(gè)試樣都掃描了 2 000 多張放射圖像。然后,利用 Panthera 軟件三維重建掃描影像所代表的孔結(jié)構(gòu)。最后,使用交互式閾值方法從三維模型中提取氣隙(試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示),以此來(lái)表征新拌材料與圓柱試件間的孔隙特征,從而分析3D打印層與圍巖之間界面的微觀特征。

圖1 Panthera 軟件三維重建的圍巖表面孔結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 圍巖表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知,拋光圓柱試樣(R1)、噴砂圓柱試樣(R2)、錘擊圓柱試樣(R3)和噴水圓柱試樣(R4)的表面輪廓的均方根偏差分別為0.03 mm、0.64 mm、1.26 mm、2.30 mm。該數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中的同類研究結(jié)論類似。例如,文獻(xiàn)[19]指出,由于高壓水射流噴射混凝土表面可以去除混凝土核心或基體,其增加圍巖表面粗糙度的效果明顯好于噴砂技術(shù)。

2.2 3D打印襯砌與圍巖粘結(jié)力學(xué)特性分析

1) 根據(jù)兩組模擬圍巖與襯砌粘結(jié)性能測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的拉力-位移曲線(見(jiàn)圖2),所有曲線都分為兩個(gè)階段:第一階段拉力不斷增大,第二階段拉力逐漸減小至零。

a) R1拋光圓柱

b) R2噴砂圓柱

c) R3錘擊圓柱

d) R4噴水圓柱

文獻(xiàn)[24]指出,新拌材料在開(kāi)始階段主要表現(xiàn)為彈性行為或粘彈性行為,一段時(shí)間后則表現(xiàn)為塑性行為。在第二階段,不可逆斷裂開(kāi)始出現(xiàn),直至完全脫離[25]。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn),斷裂在未涂覆的新拌材料與圓柱試樣的接觸面處擴(kuò)展,而對(duì)于涂覆的混凝土圓柱試樣,破壞發(fā)生在涂層與新拌材料的接觸面。

2) 依據(jù)拉力-位移關(guān)系曲線,分別獲取拉力峰值、臨界位移(即拉力達(dá)到最大值時(shí)的位移)、總位移(拉力減小到零或穩(wěn)定值時(shí)的位移)和耗散能量(測(cè)試中得到的拉力曲線與橫軸形成的區(qū)域)等4個(gè)參數(shù)的量值,并加以分析。

(1) 拉力峰值。4組試樣的拉力峰值曲線如圖3所示。對(duì)于無(wú)涂層的圓柱試樣,隨著表面輪廓的均方根偏差從0.03(R1)增加到2.68(R4),拉力峰值的平均值從3.85 N逐漸減小到0.92 N,而對(duì)于有涂層的圓柱試樣,拉力峰值幾乎保持不變。其原因主要是,新拌材料抗剪力和頂板與新拌試樣上表面之間界面力[23,26]的共同作用。無(wú)涂層時(shí),拉力峰值主要由界面處的力控制,當(dāng)使用粗糙基底(如R4)時(shí),界面上形成的接觸有限,導(dǎo)致拉伸附著力受損,因此,拉力峰值隨著基底粗糙度的增加而減小。有涂層時(shí),涂層對(duì)界面的拉伸附著力有顯著貢獻(xiàn),拉力峰值主要受新材料的抗剪性能控制。文獻(xiàn)[23]也提出了相似的結(jié)論,即當(dāng)新拌材料的屈服應(yīng)力降低時(shí),拉力峰值也隨之降低。

圖3 4組試樣拉力峰值曲線

(2)臨界位移。4組試樣的臨界位移曲線如圖4所示。未涂層的圓柱試樣中,臨界位移隨著基底粗糙度的增加而略有減小。而有涂層的圓柱試樣,臨界位移隨著基底粗糙度的增加而明顯增大,尤其是混凝土圓柱試樣R3-T和R4-T最為明顯。

圖4 4組試樣臨界位移曲線

(3) 總位移。4組試樣的總位移曲線如圖5所示?？偽灰谱兓厔?shì)與臨界位移變化趨勢(shì)基本一致,其主要原因是涂覆涂層間的“互鎖”效應(yīng)。在較粗糙的基面中,該效應(yīng)更為明顯。

圖5 4組試樣總位移曲線

(4) 耗散能量。4組試樣的耗散能量曲線如圖6所示。隨著基體表面粗糙度的增加,無(wú)涂層情況下耗散能量有減少的趨勢(shì),而有涂層情況下則出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象。值得注意的是,有涂層的基底R(shí)4-T測(cè)得的耗散能量約為無(wú)涂層基底的25倍,這一巨大差異表明了涂覆涂層的重要性。

圖6 4組試樣耗能曲線

綜上,可以認(rèn)為:新拌材料在第一階段(達(dá)到拉力峰值之前)就超過(guò)了屈服點(diǎn)。而達(dá)到屈服點(diǎn)后,界面拉伸粘結(jié)性能較強(qiáng)的新拌材料(如R4-T)繼續(xù)變形,而基底粗糙度較低的其他情況則更早發(fā)生破壞。因此,在相同屈服水平下,一系列有涂層的圓柱樣本的拉力峰值沒(méi)有明顯差異,但位移(臨界位移和總位移)卻差異顯著。

2.3 3D打印襯砌與圍巖界面微觀特性

有涂層和無(wú)涂層工況下,Panthera 軟件三維重建的圍巖表面孔結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。分析表明,相比于無(wú)涂層的界面,有涂層的圓柱試樣與新拌材料之間界面的孔隙數(shù)量明顯減少。這也驗(yàn)證了涂覆涂層是可以提高“圍巖”基底與3D打印襯砌混凝土間粘結(jié)能力的。

圖8 Panthera 軟件三維重建的圍巖表面孔結(jié)構(gòu)(有涂層)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M分析方法,對(duì)不同圍巖條件下的3D打印襯砌-圍巖界面力學(xué)性能進(jìn)行了研究,并對(duì)其中的影響因素進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下:

1) 圍巖表面粗糙程度對(duì)隧道3D打印襯砌結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量有很大的影響。粗糙基底的宏觀表面紋理并沒(méi)有被3D打印混凝土充分填充,導(dǎo)致粗糙基底和打印層之間只有部分接觸,從而降低了基底與3D打印混凝土間的粘結(jié)性能。而對(duì)于粗糙度較低的基底(如拋光基底),由于接觸充分,提升了該粘結(jié)性能。但拋光基底無(wú)法提供足夠的“互鎖”效應(yīng)。

2) 粗糙基底上涂覆涂層可以改善隧道3D打印襯砌結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。在粗糙基底上涂覆涂層后,由于宏觀紋理得到了填充,基底與3D打印混凝土間的粘結(jié)性能得到了改善。因此,表面涂覆是改善施工質(zhì)量的有效手段之一。

3D打印隧道襯砌-圍巖界面粘結(jié)力學(xué)性能的研究可為未來(lái)的隧道襯砌3D打印施工提供重要的參考和借鑒。